張鵬飛，魏 濤，席云龍，范星宇

（山東交通學(xué)院 航空學(xué)院，濟(jì)南 250357）

燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其作用是使油氣混合燃燒，而從壓氣機(jī)流入燃燒室的氣流速度非常大，為了保證火焰穩(wěn)定燃燒，改善燃油霧化和混合氣的形成，并為燃燒室頭部提供適量的空氣，在燃燒室中火焰筒的頭部安裝有旋流器。其可以在火焰筒頭部產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)射流，形成低壓區(qū)，低壓區(qū)會(huì)使氣體回流形成相對(duì)穩(wěn)定的低速區(qū)域。旋流和回流的形成有助于火焰的穩(wěn)定燃燒以及減少污染物的排放[1-4]。

旋流器在航空燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中得到了廣泛的應(yīng)用，因?yàn)槠湓谡麄€(gè)燃燒室工作過(guò)程中都能達(dá)到令人滿意的燃燒效果，于是其吸引了大量研究人員開(kāi)展相關(guān)的研究工作。Li 等[5]用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了雙旋流燃燒室的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)同向旋轉(zhuǎn)燃燒室的中心回流區(qū)尺寸明顯大于反向旋轉(zhuǎn)燃燒室的中心回流區(qū)尺寸。Coghe 等[3]采用不同的實(shí)驗(yàn)方法，分析了旋流燃燒室內(nèi)的再循環(huán)現(xiàn)象。結(jié)果表明，雖然環(huán)形中央再循環(huán)區(qū)對(duì)反應(yīng)物混合和火焰穩(wěn)定很重要，但角部再循環(huán)區(qū)會(huì)導(dǎo)致大量熱燃燒氣體夾帶到流出的反應(yīng)物混合物中。Yadav等[6]用實(shí)驗(yàn)方法研究了具有錐形出口的小展弦比突擴(kuò)式燃燒室中冷態(tài)氣流的流動(dòng)特性。發(fā)現(xiàn)在燃燒室入口安裝旋流器后，燃燒室內(nèi)湍流增加，湍流行為發(fā)生了顯著變化，因此，燃料和空氣更好的混合和高效穩(wěn)定的燃燒是有望實(shí)現(xiàn)的。

旋流器葉片是旋流器的主要部件，葉片安裝角度對(duì)燃燒室的回流強(qiáng)度、溫度分布及污染物排放等具有重要影響。Rao 等[7]用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了旋流對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁面溫度的影響，結(jié)果表明，燃燒室入口旋流的程度和方向會(huì)改變?nèi)紵覂?nèi)部的速度和溫度分布，從而對(duì)燃燒室熱點(diǎn)及其位置產(chǎn)生顯著影響。Lin 等[8]對(duì)一種非預(yù)混式旋流燃燒室進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值研究和實(shí)驗(yàn)研究，分析了外旋流器葉片角和等效比對(duì)流動(dòng)和燃燒特性的影響。分析發(fā)現(xiàn)，隨著外旋流器葉片角的增大，NO 排放逐漸降低。劉愛(ài)虢等[9]研究了地面用燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒特性，對(duì)裝有值班級(jí)直射式噴嘴和5 種旋流器組合方案的雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒室的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲得了5 種旋流器組合方式下燃燒室的流阻性能和燃燒性能。

目前國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者針對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的旋流器開(kāi)展了廣泛的研究工作。劉洋等[10]采用數(shù)值模擬方法研究了燃?xì)廨啓C(jī)旋流器安裝角對(duì)燃燒室出口溫度品質(zhì)的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，適當(dāng)降低旋流器安裝角可以改善燃燒室出口溫度品質(zhì)。劉濤[11]利用大渦模擬和雷諾平均的方法研究了燃燒器結(jié)構(gòu)對(duì)污染物排放、湍流脈動(dòng)和不穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)旋流強(qiáng)度增強(qiáng)會(huì)擴(kuò)大回流區(qū)面積，增加回流速度，加快進(jìn)氣剪切層流動(dòng)速度。鳳云仙等[12]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)一種新設(shè)計(jì)的雙徑向旋流器燃燒室的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了研究，并對(duì)旋流器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和驗(yàn)證。研究表明：雙徑向反向旋流器能在燃燒區(qū)形成有效的回流區(qū)，同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)了燃料空氣混合，有利于污染控制。李偉超[13]對(duì)自主設(shè)計(jì)的內(nèi)外旋流器葉片旋向相同的雙級(jí)軸向旋流燃燒室中的冷態(tài)流場(chǎng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了大渦模擬，并用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)其中的速度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

本文采用數(shù)值模擬的方法，主要探究具有彎葉片的旋流器在不同葉片安裝角度的組合下，燃燒室中回流區(qū)的幾何特征及各種組合對(duì)阻力系數(shù)的影響。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 模型建立

1.1.1 火焰筒模型

目前，環(huán)形燃燒室以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間利用率高和所需冷氣少等優(yōu)點(diǎn)在民用航空所使用的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。本文所建立的模型即為環(huán)形燃燒室模型，其中D1=450 mm、D2=750 mm、L=460 mm，如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

由于本文只是分析旋流器葉片對(duì)回流區(qū)的影響，為了減少計(jì)算量，只選取環(huán)形燃燒室中一個(gè)旋流器進(jìn)行計(jì)算，即建立含有一個(gè)旋流器的環(huán)形燃燒室的三維模型，旋流器如圖2 所示，燃燒室中火焰筒模型如圖3所示。由于研究的重點(diǎn)是旋流器葉片對(duì)回流特性的影響，所以本模型是實(shí)際模型的簡(jiǎn)化。

圖2 旋流器

圖3 火焰筒模型

1.1.2 旋流器模型

火焰筒頭部的旋流器采用雙級(jí)軸向式旋流器，旋流器尺寸如圖4 所示，其中，噴油管直徑d1=16 mm，第一級(jí)旋流器直徑d2=46 mm，旋流器總直徑d3=80 mm，旋流器出口直徑d4=90 mm，擴(kuò)張角α=25°。旋流器的第一級(jí)與第二級(jí)均設(shè)置了12 片葉片且采用后彎型葉片，安裝角為葉片末端角度與中軸線夾角，安裝角度如圖5 所示。

圖4 旋流器尺寸

圖5 旋流器葉片安裝角度

1.2 網(wǎng)格劃分

采用ICEM 軟件進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，分塊劃分后合并網(wǎng)格?；鹧嫱矁?nèi)部最小網(wǎng)格為3 mm，旋流器部分由于結(jié)構(gòu)較為精細(xì)最小網(wǎng)格為1 mm，所有壁面均加棱柱層網(wǎng)格，第一層邊界層為0.5 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6 所示，網(wǎng)格數(shù)量為80 萬(wàn)左右，最差網(wǎng)格質(zhì)量為0.3。

圖6 計(jì)算網(wǎng)格

1.3 計(jì)算設(shè)置

基本控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。數(shù)值計(jì)算采用FLUENT 作為求解器，采用壓力基求解器simple 算法，變量采取二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，計(jì)算模型采用湍流k-ε 模型。計(jì)算中設(shè)置了進(jìn)口空氣流量為3.5 kg/s，出口為outflow，其余為wall 邊界，操作壓力15 個(gè)大氣壓，計(jì)算工質(zhì)為空氣，采用不可壓縮理想氣體模型。收斂判定為所有殘差降到10-4以下，并監(jiān)視進(jìn)出口流量的變化值小于0.1%。

2 不同旋流數(shù)下流場(chǎng)特性分析

2.1 旋流數(shù)分析

氣流經(jīng)過(guò)旋流器后會(huì)產(chǎn)生旋流，現(xiàn)在學(xué)者多以旋流數(shù)來(lái)表征旋流強(qiáng)度。旋流數(shù)大于0.6 的旋流流動(dòng)為強(qiáng)旋流，其物理特征是會(huì)形成中心回流區(qū)。旋流數(shù)小于0.2 的旋流流動(dòng)為弱旋流，其物理特征與無(wú)旋射流相似。旋流數(shù)（S）是無(wú)量綱參數(shù)，其定義是流體的切向動(dòng)量與軸向動(dòng)量之比。

由于旋流器種類(lèi)較多，所以旋流數(shù)的計(jì)算公式至今沒(méi)有定論，本文選取了一個(gè)較為通用的公式[13]

式中：G?為切向動(dòng)量；GX為軸向動(dòng)量；D 為旋流器的外直徑。

切向動(dòng)量

軸向動(dòng)量

式中：u 為軸向速度；w 為切向速度；p 為靜壓。

由式（2）—（4）可以推得旋流數(shù)S 的計(jì)算公式為

式中：d 為旋流器內(nèi)徑；θ 為葉片角度。

根據(jù)推導(dǎo)的公式計(jì)算出一級(jí)與二級(jí)葉片角度分別為50°和60°，55°和65°，60°和70°，65°和75°時(shí)，4 組旋流器的旋流數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 彎葉片旋流數(shù)

2.2 不同旋流數(shù)下回流區(qū)的幾何特征

為進(jìn)一步分析旋流數(shù)對(duì)回流區(qū)的影響，定義軸向速度為零所包圍的區(qū)域?yàn)榛亓鲄^(qū)，回流區(qū)的最大長(zhǎng)度為回流區(qū)特征長(zhǎng)度，最大寬度為回流區(qū)特征寬度，圖7中（a）（c）（e）（g）為速度云圖，（b）（d）（f）（h）為X 軸向的速度云圖。

由圖7 可以看出，4 個(gè)旋流器均形成了回流區(qū)。從圖7 中的（a）（c）（e）（g）的總速度云圖可以看出氣流經(jīng)過(guò)旋流器后的速度分布大致呈對(duì)稱(chēng)型?；亓鲄^(qū)中心部分回流速度較高這是由于旋流強(qiáng)度較大的外側(cè)氣流在此匯聚造成的，這有利于油氣充分混合，在回流區(qū)的上部和下部有2 處顏色較深的區(qū)域，代表此區(qū)域速度較低，火焰可以在這一區(qū)域點(diǎn)火燃燒。為更加直觀地觀察回流區(qū)的變化，將4 個(gè)旋流器中軸截面上X 軸線方向的速度分量提取出來(lái)，如圖7 中的（b）（d）（f）（h）所示。

圖7 不同旋流器速度云圖

為了更好地分析回流區(qū)的變化，將旋流器1～4 的回流區(qū)統(tǒng)一繪制在圖8 中，回流區(qū)從左到右分別對(duì)應(yīng)旋流器1～4，由圖8 可以看出隨旋流數(shù)的增大回流區(qū)的特征長(zhǎng)度增加較為明顯，特征寬度變化不大。

圖8 不同旋流器的回流區(qū)

根據(jù)上述分析的結(jié)果，可以讀取不同旋流數(shù)下回流區(qū)中軸截面的面積，見(jiàn)表2。

表2 不同旋流器的回流區(qū)截面面積

由表2 可以看出隨旋流數(shù)的增大回流區(qū)面積也呈增大趨勢(shì)，根據(jù)旋流數(shù)的定義，旋流數(shù)越大即切向動(dòng)量越大，氣流分配到切向的速度就越多，分配到軸向的速度就越少，從而引起回流區(qū)的負(fù)壓變大，進(jìn)而導(dǎo)致回流強(qiáng)度變大，回流區(qū)面積變大。

2.3 旋流數(shù)與阻力損失的關(guān)系

旋流數(shù)不僅與回流區(qū)有密切關(guān)系，同樣對(duì)阻力損失也有較大的影響。為明確旋流數(shù)與阻力損失的關(guān)系，現(xiàn)定義阻力損失系數(shù)來(lái)表征阻力損失大小，阻力損失系數(shù)越大，阻力損失越大，反之越小。

阻力損失系數(shù)公式為

根據(jù)旋流數(shù)的不同分別計(jì)算阻力損失系數(shù)，見(jiàn)表3。

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)得出折線圖9，由圖9 可以很清楚地看到阻力損失系數(shù)隨旋流數(shù)的增大而增大，這可能是由于旋流數(shù)越大，氣流撞擊葉片發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)損失的能量越大，進(jìn)而導(dǎo)致了阻力損失的增大。經(jīng)綜合分析曲線擬合誤差，最終選擇一次多項(xiàng)式作為擬合曲線來(lái)表示旋流數(shù)與回流區(qū)截面面積的關(guān)系，擬合結(jié)果如下

表3 不同旋流器的阻力損失系數(shù)

圖9 直葉片與彎葉片的流場(chǎng)對(duì)比

3 結(jié)論

采用冷態(tài)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，建立了環(huán)形燃燒室的火焰筒和雙級(jí)旋流器模型，并用數(shù)值模擬的方法對(duì)其旋流特性進(jìn)行了分析。探究了隨旋流數(shù)的增大回流區(qū)的幾何特征和阻力損失的變化，得出如下結(jié)論。

1）隨旋流數(shù)增大，回流區(qū)的特征長(zhǎng)度增加較明顯，寬度變化不大。這有利于保護(hù)壁面避免燒蝕，同時(shí)流速小的回流區(qū)會(huì)使火焰更充分和穩(wěn)定的燃燒。

2）隨旋流數(shù)的增大，氣流的阻力損失逐漸增大，阻力損失與旋流數(shù)的關(guān)系大致可用擬合曲線ξ=1.87S-1.44 表示。